一种基于钢架应力识别的隧道支护结构自动监测装置
技术领域
[0001] 本实用新型涉及隧道施工阶段结构安全监测技术领域，尤其涉及一种基于钢架
应力识别的隧道支护结构自动监测装置。
背景技术
[0002] 近些年发生的建设施工事故中，隧道施工阶段发生的事故数量较多且经济损失较大。隧道施工穿越不良地质
地层时，稍有不慎就会发生初支侵限、大
变形、塌方等事故，轻则导致机械损坏，工期延误，重则导致人员伤亡。在这些灾害通常都发生在隧道初支结构施工完成后、二衬衬砌施工前的段落，也就是主要的施工作业段落，因此，该段落也是监控量测的重点。
[0003] 常规监控量测中，通过周边收敛与拱顶沉降监测来发现支护结构的变形状态，从而对其安全状态做出评价。这种监测方法原理简单，
精度较高，但却不具有实时性，且容易受到施工干扰，洞内机械振动、噪音、光线昏暗等因素都会对其造成影响，通常只在施工交接阶段进行，
数据处理有一定的滞后性。
[0004] 工程经验表明，在塌方等事故发生阶段，支护结构表现出来的共同特征，就是钢架弯折扭曲、初支开裂，现有的初支受力监测元件，如钢弦式钢架应力计
混凝土应力计，分别是
焊接在钢架上、浇筑与混凝土中，通过引出的线头读取
传感器频率变化数值，再回去进行数据处理才可得到结构的应力状态。现在需要有一种监测装置，能够直接实现对钢架应力的自动监测，并以实时
信号反馈给洞内施工人员，实现实时预警，便能极大提高隧道内作业空间的安全性。隧道内光线昏暗，凿岩机、装载机等机械作业噪音巨大，信息传递不便，加上是封闭空间，空间狭小，施工人员相对集中，一旦发生事故很容易造成重大损失。从隧道施工环境考虑，灯
光信号识别要远好于
声音信号的识别。实用新型内容
[0005] 鉴于上述的分析，本实用新型旨在提供一种基于钢架应力识别的隧道支护结构自动监测装置，用以解决现有的监测装置不能实时监测显示支护结构安全状态的问题。
[0006] 本实用新型的目的主要是通过以下技术方案实现的：
[0007] 一种基于钢架应力识别的隧道支护结构自动监测装置，自动监测装置采用集成式传感器，集成式传感器包括：
电阻式应变传感器、
单片机信号处理器和指令灯；
[0008] 电阻式应变传感器固设在支护结构的钢架上；电阻式应变传感器感应监测钢架的结构应力并以
电流信号的形式输出；
[0009] 单片机信号处理器分别连接电阻式应变传感器和指令灯；单片机信号处理器用于处理电阻式应变传感器输出的电流信号，并控制指令灯发出不同
颜色的
灯光信号。
[0010] 具体地，指令灯包括：绿色
LED灯、黄色LED灯和红色LED灯。
[0011] 具体地，单片机信号处理器控制绿色LED灯、黄色LED灯和红色LED灯的明暗及闪烁频率。
[0012] 具体地，电阻式应变传感器和单片机信号处理器均连接供电
电池。
[0013] 具体地，供电电池上设置电源控制
开关。
[0014] 具体地，电阻式应变传感器、单片机信号处理器和供电电池的外部设置
外壳。
[0015] 具体地，指令灯和电源控制开关固定在外壳上。
[0016] 具体地，外壳通过金属固定片固定在钢架翼缘上。
[0017] 具体地，指令灯和电源控制开关的外部安装
保护罩。
[0018] 具体地，集成式传感器安装在钢架的拱顶、拱腰以及拱墙
位置。
[0019] 本实用新型有益效果如下：
[0020] 1、本实用新型为一种基于钢架应力识别的隧道支护结构自动监测装置，创新性的将钢架应力监测集成式传感器安装在钢架上，实时将钢架的应力状态以LED灯光的形式进行输出反馈，使隧道内的施工人员能够实时掌握支护结构的安全状态。
[0021] 2、本实用新型的集成式传感器固定在拱腰及拱顶部位钢架上，当隧道围岩压力逐步增大，支护结构逐渐不能承担围岩压力而发生塌方时，该监测元件的灯光会由绿色变为黄色、再变为红色，闪动频率也越来越快，使隧道内人员能够及时察觉，停止施工并采取必要的安全措施。
[0022] 3、本实用新型的自动监测装置安装在隧道支护结构的钢架上，能够实现对钢架应力的实时监测，洞内所有施工人员都可简单明了的察觉支护结构的安全状态。从而极大提高洞内施工环境的安全性，避免重大事故的发生。
[0023] 4、本实用新型的基于钢架应力识别的隧道支护结构自动监测装置采用不同颜色的灯光作为安全信号传递给隧道施工人员，与传统警铃式报警器相比，可以避免由于隧道施工时产生的较大噪音造成干扰，且绿色、黄色、红色灯光信号对应安全、警惕、危险三种安全状态，与交通信号灯类似，更容易引起施工人员的注意。
[0024] 本实用新型中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本实用新型的其他特征和优点将在随后的
说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过说明书、
权利要求书以及
附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
[0025] 附图仅用于示出具体
实施例的目的，而并不认为是对本实用新型的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
[0026] 图1为隧道支护结构自动监测装置结构示意图；
[0027] 图2为集成式传感器安装分布图；
[0029] 图4为拱顶压垮型破坏状态图；
[0032] 附图标记：
[0033] 1-电阻式应力传感器，2—单片机处理器，3—供电电池，4—绿色LED灯，5—黄色LED灯，6—红色LED灯，7—外壳，8—金属固定片，9—钢架，10—电源控制开关，11—保护罩，12—集成式传感器。
具体实施方式
[0034] 下面结合附图来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本
申请一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理，并非用于限定本实用新型的范围。
[0035] 本实用新型的一个具体实施例，公开了一种基于钢架应力识别的隧道支护结构自动监测装置，如图1和图2所示。本实用新型的自动监测装置为集成式传感器12，集成式传感器12包括：电阻式应变传感器1、单片机信号处理器2、供电电池3、指令灯、外壳7、金属固定片8、电源控制开关10和外部安装的保护罩11。指令灯分别为：绿色LED灯4、黄色LED灯5和红色LED灯6。
[0036] 具体地，电阻式应变传感器1通过胶水粘贴在支护结构的钢架9上。电阻式应变传感器1用于监测钢架9的应力应变，电阻式应变传感器1通过其内部
电路将应变信号转换为电流信号并传递给单片机信号处理器2。
[0037] 具体地，单片机信号处理器2分别连接电阻式应变传感器1和指令灯；单片机信号处理器2用于处理电阻式应变传感器1输出的电流信号，单片机信号处理器2内设置不同的电流
阈值；单片机信号处理器2可以根据电流信号控制指令灯发出不同颜色的灯光信号。施工人员根据灯光颜色即可得知钢架9的应力状态，进一步地，可以判断钢架9的是否容易发生结构变形，确定是否采取加强支护或其他应急措施。集成式传感器工作原理流程图如图3所示。
[0038] 一般情况下，钢架9应力达到1.4倍
屈服强度时容易发生结构破坏，为了保证施工人员的安全，本实用新型的示警方法采用超前预警的方式，在钢架9应力达到1.1倍屈服强度时集成式传感器12发出红色灯光信号报警。即在可能发生危险时就发出示警信号，使用时能极大提高隧道内作业环境的安全性，避免重大事故的发生。
[0039] 考虑到，工字钢钢材受弯时边缘应力最大，往
中性轴方向应力逐步减小，电阻式应变传感器1主要测试的为钢架9的边缘应力。本实用新型的隧道支护结构自动监测装置以钢材的1.1倍屈服强度作为判断极限承载的依据。
[0040] 并且，设置钢架9的应力值为1.1倍屈服强度时，单片机信号处理器2控制红色LED灯6发出红色光并快速闪烁示警。
[0041] 认为钢架9的结构应力小于0.7倍屈服强度时，钢架9处于安全状态，不会发生永久变形。因此，设置钢架9的应力值小于0.7倍屈服强度时，发出绿色光表示结构安全。
[0042] 设置钢架9的应力值处于0.7倍屈服强度与1.1倍屈服强度之间时，指令灯发出黄色光，提高警惕。
[0043] 优选地，不同颜色的指令灯闪动表示了支护结构的不同承载状态，进而转换为不同的结构安全状态，据此对施工管理做出了应急管理，即：绿色LED灯4亮，正常施工；黄色LED灯5亮时，保持警惕，加强围岩变形等辅助监测；红色LED灯6亮时立即停止施工，检查支护结构及围岩的安全状态，并采取必要的辅助加强措施。
[0044] 电阻式应变传感器1的电流输出数值，具体大小要以钢架材料屈服强度为
基础，并通过不同的电阻式应变传感器调试决定电流数值。δy为钢架9钢材的屈服强度，钢架9的应力值为0.7δy时，对应电阻式应变传感器1电流信号为a mA；钢架9的应力值为1.1δy时，对应电阻式应变传感器1电流信号为b mA。
[0045] 具体地，当电阻式应变传感器1输出的电流信号I≤amA时，单片机信号处理器2输出指令：绿色LED灯4亮，闪动频率1次/3s；
[0046] 当电阻式应变传感器1电流信号a mA
[0047] 当电阻式应变传感器1电流信号I≥b mA时，单片机信号处理器2输出指令：红色LED灯6亮，闪动频率3次/s。
[0048] 本实用新型的信号示警具体机制如表1所示：
[0049] 表1.基于钢拱架应力识别自动监测装置响应机制
[0050]
[0051]
[0052] 具体地，电阻式应变传感器1和单片机信号处理器2均连接供电电池3；供电电池3为集成式传感器12供电。供电电池3上设置电源控制开关10，开关打开时，集成式传感器12开始工作。
[0053] 具体地，电阻式应变传感器1、单片机信号处理器2和供电电池3的外部设置外壳7。指令灯和电源控制开关10固定在外壳7上。外壳7的边缘设置有卡槽，金属固定片8一端设有卡钩，另一端为U型结构，外壳7通过金属固定片8固定在钢架9翼缘上。
[0054] 具体地，指令灯和电源控制开关10的外部安装保护罩11；钢架9表层喷射混凝土后，再将保护罩11拆除。保护罩11可以避免混凝土遮挡指令灯，阻碍灯光信号的顺利传输。
[0055] 具体地，外壳7和保护罩11均可以采用塑料材质。
[0056] 实施时，自动监测装置的安装使用包括以下步骤：
[0057] 1)安装前，对集成式传感器12进行调试，调试完成后关闭电源，准备安装。
[0058] 2)隧道施工阶段，在钢架9架立完成后进行集成式传感器12的安装。每隔一榀钢架9进行一个断面的集成式传感器12的安装，单榀钢架9在拱顶处、左右拱腰处以及左右拱墙的位置均安装集成式传感器12，如图2所示，且尽量安装在钢架9节段的中点位置。
[0059] 3)首先通过特定胶水将电阻式应变传感器与钢架粘结牢固，再通过金属片将传感器固定装置(8)固定在钢架翼缘上，实现安装。安装好之后盖上保护罩11，而后进行混凝土喷射。
[0060] 4)混凝土喷射完毕后，待混凝土
凝固前揭开保护罩11，打开传感器电源控制开关10，开始工作。
[0061] 5)不同颜色的灯闪动表示了支护结构的不同承载状态，进而转换为不同的结构安全状态，据此对施工管理做出应急管理。传感器绿色LED灯4闪动表明支护结构应力较小，结构安全，隧道内可正常施工；黄色LED灯5闪动，表明结构受力较大，结构尚能维持安全，应提高警惕；红色LED灯6亮，结构已达到承载极限，应立即停止施工，查明原因并采用必要的措施。
[0062] 针对隧道在初支阶段常见的3种支护破坏形式，即拱顶压垮型破坏、拱腰处偏压型破坏、拱墙处水平挤压型破坏，集成式传感器分别安装在隧道拱顶、左右拱肩、拱墙位置，该布置形式充分考虑了隧道支护结构的受力形式及破坏阶段的变形规律，并且监测结果可以判断出围岩应力的主要变化形式。
[0063] 具体地，拱顶传感器先变红、相邻拱腰传感器后变红或者呈现黄色时，表明隧道顶部荷载过大，支护结构将发生顶部压垮型破坏；如图4所示。左右拱腰位置变红、相邻部位传感器后变红或变黄，支护结构可能发生偏压型破坏；如图5所示。拱墙位置变红、相邻部位传感器后变红或变黄，支护结构可能发生水平挤压型破坏；如图6所示。一般情况下每个断面安装5个传感器，有特殊需要时也可进行传感器加密。
[0064] 具体地，从整体上判断支护结构安全状态及确定应对措施。
[0065] 根据隧道支护结构的多榀钢架9的应力监测结果判断支护结构的破坏类型并采取相应的应对措施，灯光系统的颜色变化与支护结构破坏程度之间的关系为：当单榀钢架9上局部集成式传感器12红灯亮、相邻钢架9上集成式传感器12绿灯亮或仅有个别黄灯亮时，为局部松散压力大，采用锚杆锚固、注浆等辅助措施加固；当连续2榀钢架9上集成式传感器12上红灯亮、周边为黄灯亮时，则应立即停止施工，及时撤离施工人员，采取相应的应急响应措施。
[0066] 与
现有技术相比，本实施例提供的技术方案至少具有以下有益效果之一：
[0067] 1)本实用新型的监测装置形状扁平，容易粘结固定，固定装置安装灵活牢固。安装后集成式传感器能够与钢架表层混凝土面平齐，不容易被破坏。
[0068] 2)本实用新型的监测装置信号输出具有实时性，且信号以LED微型灯的形式输出，且不同颜色信号灯带有不同的闪动频率，在隧道内相对昏暗的作业环境中，容易被人察觉到。
[0069] 3)本实用新型的指令灯的灯光系统以绿灯、黄灯、红灯三种信号输出，闪动频率逐步加快，其对应的结构安全状态分别为较为安全、尚且较安全、危险3种，原理简单，信号清晰，容易被隧道内全部施工人员掌握接受。
[0070] 4)本实用新型以钢材的1.1倍屈服强度作为判断极限承载的依据，主要是考虑到工字钢钢材受弯时边缘应力最大，往中性轴方向应力逐步减小，传感器主要测试的为钢架的边缘应力，以1.1倍屈服强度对应的应力值作为报警界限可以确保安全警示信号的准确性。
[0071] 以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉
本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
